Седьмой семестр, вечерка, Мовнин и Шануренко / Ваккумная электроника / Курсовая работа / Курсовая работа №4 Проектировние триода
.pdfАннотация
В этой курсовой работе кратко описана область применения мощных генераторных ламп, дана пояснительная записка по расчету электрических и конструкционных параметров ВТКК, подробно объяснены используемые при производстве материалы и технологии их получения и использования,
приведены эскизы триода и конструкционных элементов.
Annotation
This term paper briefly describes the scope of use for powerful generator lamps, gives an explanatory note on the calculation of the electrical and structural parameters of the thoriated tungsten electrodes (TTE), explains in detail the materials used in the production and the technology for their production and use. Gives sketches of the triode and structural elements.
3
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… 5
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА…………………………………………… 6
Расчет параметров решетки………………………………………………… 6
Расчет геометрии ячейки……………………………………………………. 7
Расчет межэлектродных расстояний……………………………………….. 8
Расчет сеточной структуры………………………………………………….. 9
Корректировка параметров элементов для реализации их монтажа…. 9
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОДОВ……………………………………………….11
Материалы катода. Получение карбидов вольфрама…………………….11
Свойства карбидов вольфрама………………………………………………12
Материалы анода………………………………………………………….…...13
Материалы изоляторов………………………………………………………..14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...16
ПРИЛОЖЕНИЯ…...……………………………………………………………17
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.………………………20
4
ВВЕДЕНИЕ
ВТКК является одним из видов мощных генераторных ламп (МГЛ),
приборов мощного электронного прибора с электростатическим сеточным управлением (МЭПЭСУ). Они применяются в радиотехнических системах для современных средств телевидения, радиовещания и связи, радиолокации,
физических исследований элементарных частиц и термоядерного синтеза.
ВТКК представляет из себя катод из торированного вольфрама,
поверхностный слой которого превращен в карбид вольфрама W2C
(карбидирован). Присутствие углерода обеспечивает восстановление диоксида тория по реакции
ThO2 + 2C = Th + 2CO,
Которая протекает значительно быстрее и в более широком диапазоне температур, чем в вольфрамовом торированном катоде. Кроме того, скорость испарения тория с карбида вольфрама в несколько раз меньше, чем с чистого вольфрама при одинаковой температуре.
Благодаря этим обстоятельствам ВТКК может стабильно работать в более широком диапазоне температур, обладает хорошей стойкостью к ионной бомбардировке и способен обеспечивать долговечность в 10000 часов и более. При этом долговечность определяется запасом карбида вольфрама и рабочей температурой катода, запаса диоксида тория в исходной проволоке хватает для работы на сотни тысяч часов.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Расчет геометрии вольфрамового торированного карбидированного катода (ВТКК) решетчатого типа.
Расчет параметров решетки.
5
По исходным данным выбираем ток эмиссии Iэ и коэффициент использования катода по току эмиссии β.
Iэ = 24А; Iэ = Ia max / β => β = 0,5.
Рассчитаем геометрию и электротехнические характеристики ВТТК для T = 2000K, удельной мощности накала Pн уд = 30 Вт/см2, H = 0,055 А/Вт, ρ = 66 * 10-6 Ом * см при степени карбидирования 20%. Зададимся отношением высоты к ширине решетки Hреш/Dреш = 2.
Ток эмиссии одной нити должен быть в пределах от 0,5А до 1А. Исходя из этого условия, количество нитей подбирается по соотношению Iэн = Iэ /2n.
Пусть n = 24, тогда Iэн = 0,5 А.
Диметр нити катода
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
4 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 4 |
|
0,52 66 10−6 |
|
||||||||
Dн = √ |
|
|
|
|
|
|
|
эн |
|
= |
√ |
|
|
|
|
|
|
|
= 0,012290… ≈ 0,12 мм. |
|||
|
2 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
6,3 |
2 |
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,055 30 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
н уд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Длина нити катода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
L = |
эн |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
= 7,84845… ≈ 7,85 см. |
|||||
|
|
|
|
|
|
0,055 30 0,01229 |
||||||||||||||||
|
|
н уд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Заданный угол наклона нити решетки к оси решетки
α = 30 градусов.
Высота решетки, см
Hреш = L· cosα = 7,84845 * cos (30) = 6,79695… ≈ 6,8 см.
Диаметр решетки
реш
Dреш = реш/ реш = 3,398475… ≈ 3,4 см.
Площадь поверхности решетки
6
S = πDL2n = 14,54(54) ≈ 14,56 см2.
Ток накала нити катода
Iнн = √ уд * н3/2 * 2 = √66 3010−6 * 0,0122903/2 * 1,57 = 1,4430014 ≈ 1,44 A
Ток накала всего катода
IН = Iнн * 2n = 69,264069… ≈ 69,26 A
Мощность накала, Вт
Pн = Uн· Iн = 6,3 * 69,264069 = 436,363634… ≈ 436,36 Вт
Проверяем удельную мощность накала, Вт/см2
Pн уд = Pн / Sреш = 436,363634 / 14,54545 = 30 Вт/см2
Расчет геометрии ячейки.
Диагонали a и b:
a = |
реш |
= |
3,14 3,398475 |
= 0,444859… см ≈ |
4,45 мм; |
|
|
24 |
|
||||
|
|
|
|
|
||
b = a ctg (α) = 0,444859 * 1,73205 = 0,770518 см ≈ 7,71 мм;
Сторона p:
p = |
|
= |
0,444859 |
≈ 4,45 мм; |
|
2 sin |
1 |
||||
|
|
|
Высота ячейки:
hяч = p sin 2α = 0,444859 * sin 60 = 0,385259 ≈ 3,85 мм;
Число ячеек M = n = 423,42… ≈ 424 ячейки.
Расчет геометрических размеров системы электродов
Расчет межэлектродных расстояний
Зададимся соотношением za/zc = 4.
7
Расстояние катод-сетка для цилиндрческой конструкции лампы
|
1+ |
√ |
|
|
|
|
|
|
||
Zc(1) = |
1+2 реш |
, где |
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H = 3,7 * 104 |
|
(1+ )3/2 |
|
|
3/2 |
|||||
* |
|
|
* |
|
|
; |
||||
реш |
|
1/2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
κ = (za/zc)4/3 = 44/3 = 6,34960…;
δ = 1 - σ = 0,85 => σ = 0.15;
H = 37000 * 38,15389…
(1+6,34960 0,04)3/2 |
* |
0,063/2 |
= 37000 * 0,24306 * 0,0042426 = |
|||
|
|
|
|
|||
6,79695 0,85 |
√12 |
|||||
|
|
|||||
Zc(1) = |
1+ |
√ |
1+2 реш |
= |
1+ √ |
1+2 38,15389 3,398475 |
|
= 0,449095…≈ 0,45 см. |
|
|
2 |
|
2 38,15389 |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Проверка
2zc(1)
hяч
; 2 * 0,449095 ≥ 0,385259; 0,89819 > 0,385259.
Другие межэлектродные расстояния в триоде:
z |
a |
= (z |
a |
z |
c |
)z |
c |
|
|
|
|
Диметр сетки
= 4*0,449095 = 1,79638… ≈ 1,8 см.
Dc = Dреш + 2zc = 3,398475 + 2 * 0,136471= 4,296665… ≈ 4,3 см.
Диаметр анода
Da = Dреш + 2za = 3,398475 + 2 * 1,79638 = 6,991235… ≈ 7 см.
Расчет сеточной структуры.
Шаг сетки триода:
8
a = |
D |
c |
ln (D |
а |
D |
c |
) |
|
= |
|
|
3,14 4,296665 (ln 6,991235/ 4,296665) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
(1 D) ln ct h σ + ln ch σ |
1 |
) ln( ( 3,14 0,15))+ln( (3,14 0,15)) |
|||||||||||
|
|
( |
|
||||||||||
|
|
0,04 |
|||||||||||
|
6,57125 |
|
|
|
|
= 6,57125 |
/ 20,67717 = 0,317802… ≈ 0,32 см |
||||||
|
|||||||||||||
25 ln(2,276868)+ln( 1,113103) |
|||||||||||||
Диметр сеточных проводников dc = aσ = 0,317802 * 0,15 = 0,0476703… 0,48 мм.
Проверка на сводимость
Zc >> dc; 0,45 >> 0,048.
Zc ≥ 0,8a; 0,45 ≥ 0,2542416.
Za – zc ≥ 0.8a; 1,35 ≥ 0,2542416.
=
≈
Корректировка параметров элементов для реализации их монтажа
Увеличение длины нитей решетки для нахлёста под пайку на ребро монтажных колец в основании и вершине решётки при сохранении рабочей длины:
Hребра = 0,3 см;
Lмон = L + 2 (sin(ребра)) = 7,84845 + 2 * (00..35) = 9,045845 ≈ 9,05 см.
Определение реальной высоты катода, с учётом отступа от верхней точки кольца:
Hреал = Lмон * cos (α) + 0,2 = 8,03393… ≈ 8,03 см.
Протяженность чашки катода |
|
= 0,4 см, тогда высота сетки: |
||
Hc = Hреш + 2 + 0,6 = 6,79695 + 1,4 ≈ 8,2 см. |
|
|||
|
|
|
||
Число стрежней сетки Nc = |
|
|
= 42,474006 ≈ |
43 штуки. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
Зададимся шагом витков упрочняющей навивки aу.н. = 2 см.
Число витков упрочняющей навивки Nу.н. = Hc/aу.н. = 4.1… ≈ 4 шт.
Определение реальной высоты анода с учётом необходимого зазора между анодом и сеткой по оси прибора:
Hанод = Hс + 1 = 9,2 см.
10
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОДОВ.
Материалы катода. Получение карбидов вольфрама
Для изготовления ВТКК используется торированный вольфрам ВТ-15 (с
присадкой 1,5…2 % ThO2) и вольфраморениевый сплав с добавкой тория ВР10Т2 (10 % Re и 1,5…2 % ThO2), отличающийся от первого большей пластичностью, особенно в отожженном состоянии. Оба сплава изготавливаются методом порошковой металлургии в виде проволоки или ленты. При большем процентном содержании тория повышается хрупкость материала и затрудняется его механическая обработка, при меньшем – снижается эмиссионная способность катода.
Способы получения карбидов вольфрама можно подразделить на следующие основные группы: синтез из элементов; восстановление оксидов углем;
химическое выделение из сплава; электролиз расплавленных сред; осаждение из газовой фазы. Последний метод – один из наиболее перспективных для получения карбидов высокой чистоты и монокристаллов, так как является совокупностью атомарных (молекулярных) реакций в газовой фазе, что и обеспечивает максимальную плотность и чистоту образующегося осадка, а
при определенных условиях – получение монокристаллов.
Карбиды могут быть получены в виде покрытий или в компактной форме тремя способами газофазного осаждения.
1. Прямое осаждение карбида из газовой смеси летучего галогенида металла,
водорода и какого-либо углеводорода, по схематической реакции
МеClx + CnHm + H2 → МеCтв +HCl + H2.
2. Разложение летучего галогенида металла на поверхности графита при достаточно высокой температуре, для обеспечения взаимной диффузии углерода и осажденного металла:
11
графит + МеClx → МеCтв + Cl2
3. Науглероживание твердого металла в среде углеводорода:
Метв + CnHm → МеCтв + H2.
Для карбидирования катодов мощных электронных приборов широко используется третий способ, при этом в качестве углеводорода применяются бензол или природный газ. Процесс проводят в вакууме или в атмосфере водорода.
Свойства карбидов вольфрама
Карбиды обладают невысокой термостойкостью, что определяется жесткостью их кристаллической решетки и сравнительно невысоким коэффициентом термического расширения. Углерод в монокарбиде связан недостаточно сильно и при нагревании до 2300 К сравнительно легко удаляется из решетки, при этом WС переходит в W2C.
Параметр |
Монокарбид |
Полукарбид |
Температура плавления, К |
3049 |
3049 ± 5 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м ∙ К) |
142 |
29,3 |
Удельная теплоемкость (Т = 2000 К), Дж/(кг ∙ К) |
349,5 |
210,9 |
Удельное электрическое сопротивление (Т = 293 |
19,2 ± 0,3 |
75,7 ± 0,1 |
К), мкОм ∙ см |
|
|
Коэффициент удельного электрического |
0,495∙10–3 |
1,95∙10–3 |
сопротивления в диапазоне 473…1773К, К–1 |
|
|
Работа выхода (Т = 2400 К), эВ |
3,6 |
4,58 |
Микротвердость при нагрузке 30 г, ГПа |
17,80 |
19,90 |
|
|
|
Таблица 1. Некоторые свойства карбидов вольфрама
Карбиды обладают металлической проводимостью, причем WС имеет большие тепло- и электропроводности по сравнению с W2C. С повышением температуры удельное электрическое сопротивление карбидов растет по линейному закону, причем более резко у W2C. Работа выхода выше у W2C.
12